Si la gravedad fuera una fuerza "real", ¿cómo podría saber si estoy cayendo o acelerando en el espacio o en la Tierra?

Question

Antecedentes:

Creo que sería útil para los profanos como yo entender en qué se diferencia, en la práctica, una fuerza "real" de una pseudofuerza. Prácticamente todas las explicaciones (por ejemplo, en esta pila , Wikipedia , Quora , grandioso Vídeo de Veritasium ) de la diferencia entre una pseudofuerza y una fuerza real que utilizan el experimento mental sobre el marco de referencia de caída libre/aceleración se centran en que el objeto que cae/acelera no puede saber si cae/acelera en el espacio o en la Tierra, pero no explican en qué se diferencia de una fuerza real.

Tal y como yo lo veo, un argumento de que la gravedad no es una fuerza real debería proceder como sigue:

1. Así es como se comportaría un objeto que cae/acelera si la gravedad fuera una fuerza real.
2. Un objeto que cae/acelera no se comporta así;
3. Por lo tanto, la gravedad no es una fuerza real.

Basado en esta gran respuesta Creo que la diferencia entre una fuerza real, como por ejemplo la fuerza electromagnética, y la gravedad, es que la masa del objeto no afecta a su aceleración bajo la gravedad, mientras que la masa del objeto (o mejor dicho, la relación entre la masa y la fuerza del campo) sí afecta a su aceleración bajo la fuerza electromagnética. Yo interpreto esto como que si dejo caer objetos de hierro de distintas masas desde la misma altura, entonces se acelerarán hacia la Tierra a la misma velocidad (llegando al suelo al mismo tiempo), mientras que si los coloco a la misma distancia de un imán fuerte, entonces se acelerarán hacia el imán a velocidades proporcionales a sus masas (llegando al imán en momentos diferentes).

Además, creo que la implicación detrás del experimento mental de que uno no puede diferenciar entre ingravidez y caída libre, o aceleración y gravedad, es que con respecto a una fuerza real, uno sería ser capaz de notar la diferencia. Esto nos lleva a preguntarnos... ¿cómo?

Pregunta:

Centrándose en cómo la gravedad no es una fuerza real, más que en cómo la gravedad es una pseudofuerza, creo que las siguientes preguntas son esencialmente equivalentes, por lo que responder a cualquiera de ellas debería ser suficiente, pero puedo estar equivocado al respecto:

• Si la gravedad fuera una fuerza "real", ¿cómo podría saber si estoy sin peso en el espacio o en caída libre hacia la Tierra?
• Si la gravedad fuera una fuerza "real", ¿cómo podría saber si mi nave está acelerando "hacia arriba" en el espacio o si estoy en la Tierra siendo acelerado "hacia abajo" por la gravedad?
• Si llevo un traje ferromagnético (cota de malla) mientras mi nave no magnética (de plástico) vuela cerca de un magnetar Entonces, ¿cómo podría saber si mi nave está acelerando para alejarse del magnetar o si estoy siendo atraído hacia él?
• Si me despierto en una cama de hospital en una nave espacial desconocida, y siento que la cama me presiona / yo presiono la cama, entonces ¿cómo podría saber si ahora soy Lobezno y tengo un esqueleto de metal mientras que la nave es de plástico (imán por debajo de la nave), o si la nave es de metal (imán por encima de la nave)?

Nota: Los gradientes de fuerza (fuerzas de marea) son ignorados en el experimento mental original, y deberían ser ignorados aquí también.

Answer 1

Creo que sería útil para los profanos como yo entender en qué se diferencia, en la práctica, una fuerza "real" de una pseudofuerza.

El identificador clave es que una fuerza de inercia es proporcional a la masa de un objeto. Las fuerzas que son proporcionales a la masa pueden aparecer o desaparecer mediante una elección juiciosa del marco de referencia.

Experimentalmente, esto es fácil de detectar utilizando un acelerómetro. Si el acelerómetro detecta una aceleración, el objeto está sometido a una fuerza real neta. Si el acelerómetro marca cero, entonces la fuerza real neta es cero y cualquier aceleración restante se debe a una fuerza inercial.

Así es como se comportaría un objeto que cae/acelera si la gravedad fuera una fuerza real.

Si la gravedad fuera una fuerza real, un acelerómetro conectado a un objeto en caída libre cerca de la superficie de la tierra indicaría $9.8\text{ m/s}^2$ hacia abajo.

Un objeto que cae/acelera no se comporta así;

Un acelerómetro acoplado a un objeto en caída libre cerca de la superficie terrestre marca 0. Cualquiera puede comprobarlo con un típico teléfono inteligente.

Por lo tanto, la gravedad no es una fuerza real.

Por lo tanto, el $9.8\text{ m/s}^2$ la aceleración no se debe a una fuerza real.

Si la gravedad fuera una fuerza "real", ¿cómo podría saber si estoy sin peso en el espacio o en caída libre hacia la Tierra?

Como se ha descrito anteriormente, si la gravedad fuera una fuerza real, sería detectada por un acelerómetro. Así, alguien alejado de cualquier fuente gravitatoria tendría una lectura del acelerómetro de 0, y alguien en caída libre hacia la tierra tendría una lectura del acelerómetro de $9.8\text{ m/s}^2$ hacia abajo.

Answer 2

Sus dos primeras preguntas tienen básicamente la respuesta "no se puede". El hecho de que la "ingravidez" se confunda a menudo con la caída libre (por ejemplo, en órbita) pone de manifiesto este hecho.

Para la 3ª y 4ª pregunta podemos diferenciarlas porque hay objetos que no responden al magnetismo. Así, si tienes una llave de plástico en el bolsillo puedes sacarla y observar su comportamiento. Si no, podrías observar cómo se comporta tu sangre (que no es magnética). Este tipo de opciones no están disponibles para la gravedad.

Answer 3

La gravedad es una fuerza real. Si preguntas si es una propiedad emergente de la curvatura del espacio-tiempo, tienes razón. Sin embargo, en un marco local, se comporta como lo que cabría esperar de una fuerza real (es decir, $F = \frac{dp}{dt}$ ).

Si la gravedad fuera una fuerza "real", ¿cómo podría saber si estoy sin peso en el espacio o en caída libre hacia la Tierra?

Una vez más, la gravedad es una fuerza real y no se nota. Eso se llama el principio de equivalencia.

Si la gravedad fuera una fuerza "real", ¿cómo podría saber si mi nave está acelerando "hacia arriba" en el espacio o si estoy en la Tierra siendo acelerado "hacia abajo" por la gravedad?

No se puede. De nuevo, el principio de equivalencia.

Si llevo un traje ferromagnético (cota de malla) mientras mi nave no magnética (de plástico) vuela cerca de un magnetar, ¿cómo podría saber si mi nave está acelerando para alejarse del magnetar o si estoy siendo atraído hacia él?

Si este giro/aceleración del magnetar es muy brusco es posible que no se note (desde el interior de la nave). Pero supongo que como la fuerza magnética es varios órdenes de magnitud mayor que la "fuerza de inercia habitual", es posible que sientas una diferencia a favor de la fuerza magnética (además, si tienes objetos magnéticos/metálicos en la nave, notarás que se desvían mucho más que los objetos no magnéticos).

Si me despierto en una cama de hospital en una nave espacial desconocida, y siento que la cama me presiona / yo presiono la cama, entonces ¿cómo podría saber si ahora soy Lobezno y tengo un esqueleto de metal mientras que la nave es de plástico (imán por debajo de la nave), o si la nave es de metal (imán por encima de la nave)?

La fuerza que sentirías es la cama que te sostiene. Es cierto que puedes sentir que te sujetan con otros objetos, pero no tanto (si dejaras caer un objeto metálico desde el lado de la cama y luego lo intentaras con otro objeto de plástico lo notarías).

El punto de la equivalencia prinicipal, y este es el punto más importante, no hay experimentos/observaciones que distingan un marco de referencia uniformemente acelerado de un campo gravitatorio uniforme desde dentro de ese marco de referencia, mientras que claramente en los dos últimos ejemplos que proporcionas arriba, puedes .

Answer 4

Yo diría que la gravedad es una fuerza. Pero en la relatividad especial hay dos tipos de fuerza. El electromagnetismo, las fuerzas normales y otras similares son fuerzas de cuatro vectores. Las fuerzas centrífugas y de Coriolis no pueden describirse mediante cuatro vectores; son "fuerzas tensoriales", siendo el tensor en cuestión el tensor métrico. Cuando se añade la RG, la gravedad también resulta ser una fuerza tensorial. Esta distinción no existe en la física newtoniana, donde todas estas fuerzas se describen mediante vectores.

La forma más fácil de distinguir la diferencia es probablemente buscar la dilatación del tiempo.

Si estamos sobre un planeta (que no gira, para simplificar las cosas), y somos atraídos por la gravedad (tensorial), contrarrestada por la fuerza normal (vectorial) del suelo, los relojes ideales situados a diferentes alturas funcionarán a diferentes velocidades. Si la gravedad fuera una fuerza vectorial, los relojes funcionarían a la misma velocidad.

Del mismo modo, si estás presionado en tu cama por la aceleración ascendente de un cohete, los relojes a diferentes alturas marcarán un ritmo diferente, pero si hay un imán en el suelo que atrae tu esqueleto de adamantium, los relojes marcarán el mismo ritmo.

Answer 5

La respuesta a las dos primeras preguntas es que no puedes notar la diferencia... la única razón por la que podrías hacerlo es mirando a tu alrededor o sintiendo el viento mientras caes libremente. Flotar en el espacio es un marco inercial, al igual que la caída libre.

Creo que tienes dudas acerca de que la gravedad no es una fuerza... lee esto- da pruebas (de forma muy análoga) de que la gravedad no es una fuerza y es una curvatura en el espacio tiempo... puede que conquiste tus dudas:-

Míralo de esta manera,

Todos nosotros y el universo avanzamos en el tiempo y, por tanto, todo avanza en el continuo espacio-tiempo. Piensa en la gravedad no como una fuerza, sino como una curvatura en la hoja de goma 4d del espacio tiempo que ralentiza las cosas que viajan en el continuo espacio tiempo. ¿Por qué? Bueno, aquí hay un ANALOGÍA (fíjate que he puesto en negrita "analogía" porque es importante). En la demostración de espacio-tiempo en 2d (la de la gente que deja caer pelotas sobre una lámina de goma) cuando dejas caer pelotas sobre una lámina de goma, la lámina de goma se curva hacia la tierra. Así que las pelotas más pequeñas se mueven hacia el lugar más bajo posible de la lámina de goma (después no suben por la "curvatura de la colina" creada por la goma). Y como toda la hoja de goma representa el espacio y el tiempo, también ha dejado de moverse en el tiempo... Eso es muy análogo a la forma en que la gravedad ralentiza el tiempo. Un objeto en un marco de referencia inercial (a partir de ahora lo llamaré simplemente 'O.I.F.R') es un objeto que no se ve afectado por la gravedad...en otras palabras es un objeto que sube por la curvatura de la colina que mencioné antes. Derek en veritasium dijo que,(sí yo también vi el video) debido a la fuerza Normal, un O.I.F.R ve algo en la gravedad acelerando hacia arriba. Y eso es lo que se ve en la analogía del espacio tiempo 2d.... Cuando una bola más pequeña llega al punto mínimo se detiene ¿no? Pero un O.I.F.R lo ve como acelerando lejos de él porque un O.I.F.R sube por la "curvatura de la colina" después de llegar al fondo y sigue moviéndose mientras el objeto en gravedad se queda quieto....

Espero que tus dudas se hayan resuelto... La razón por la que puse en negrita "analogía" fue porque todo el asunto era una anología... no lo real... lo real ocurre en el espacio 4d y se rige por las ecuaciones de campo de Einstein...

Por cierto el video de Dereks sobre veritasium fue lo que me ayudó a entender este asunto completamente...yo tenía dudas como las tuyas pero el video me ayudó mucho...espero que mi explicación te haya ayudado