¿Es correcto decir que los objetos que caen se quedan quietos?

Question

Mientras navegaba por youtube me encontré con el vídeo de la BBC " Brian Cox visita la mayor cámara de vacío del mundo - Universo Humano: Avance del episodio 4 - BBC Two "

Deja caer una bola de bolos y una pluma en una cámara de vacío y observa cómo caen al suelo al mismo tiempo. Entonces dice: "La razón por la que la bola de bolos y la pluma caen juntas es porque no están cayendo, están paradas, no hay ninguna fuerza que actúe sobre ellas..."

Esto no tiene ningún sentido para mí. Tenía la impresión y siempre me han enseñado que la fuerza gravitacional $\vec{F_g}=m\vec{g}$ es la fuerza que "provoca" la caída de los objetos.

Además, si no hubiera ninguna fuerza externa que actuara sobre la pluma y la bola de bolos, entonces, según la primera ley de Newton, el objeto permanecería en estado de reposo (o movimiento uniforme). Como la bola y la pluma están siendo aceleradas, debe haber una fuerza que actúe sobre ellas.

¿Qué está pasando aquí? ¿Se ha equivocado o mis conocimientos de física son aún peores de lo que pensaba?

Answer 1

Yo diría que Brian Cox está siendo demasiado críptico. Está afirmando lo que se conoce como el Principio de equivalencia . En la relatividad general pura, la gravedad no es una fuerza. Es la curvatura del espaciotiempo que hace que los objetos obedezcan a la ecuación geodésica . Se trata de una característica geométrica: la ecuación geodésica no depende de la masa. En caída libre, los objetos no son conscientes de su aceleración. En su marco los objetos están en reposo con respecto al resto del universo. Creo que sólo está diciendo que los objetos en reposo se comportan igual. Definitivamente no es como se suele plantear el PE.

EDIT: El título de la pregunta ha cambiado. Un objeto que cae (suponiendo una caída libre completa, es decir, sin resistencia del aire) no experimenta un campo gravitatorio. Supongamos que usted está en una caja y se deja caer desde una gran altura sobre la Tierra. Quiere comprobar si se mueve. (Más bien, quiere comprobar si se está acelerando. La relatividad especial nos dice que no podemos comprobar el movimiento absoluto. Suponiendo un campo gravitatorio suficientemente constante en una región suficientemente pequeña del espaciotiempo, la cuestión del movimiento absoluto no tiene sentido). Así que dispara un láser de un lado de la caja al otro. Si estás acelerando, el láser parecerá "curvarse". Sin embargo, si estás en caída libre, los fotones del láser darán exactamente en el lugar al que apunta el láser. Este es exactamente el comportamiento de un láser que uno esperaría moviéndose a velocidad constante en un espaciotiempo plano (es decir, sin gravedad). A continuación, realizamos una transformación de Lorentz a un marco inmóvil (el marco de reposo de la caja). Por lo tanto, la caída libre es, en cierto sentido, equivalente a estar inmóvil en un espaciotiempo sin gravedad.

Answer 2

En la relatividad general, los objetos en caída libre gravitatoria son inerciales, mientras que tú, de pie en la superficie de la Tierra, eres acelerado hacia arriba por la fuerza que proporciona el suelo que pisas. Por eso ves que los objetos se aceleran hacia abajo, porque estás en un marco acelerado.

Por lo tanto, su comprensión de la mecánica en esto probablemente no es errónea, sin embargo, la declaración de Brian Cox sigue siendo correcta. Usted ve fuerzas de inercia en la mecánica newtoniana, por ejemplo, en un marco de rotación tienes las fuerzas centrífugas y de Coriolis, que te permiten fingir que no estás en un marco acelerado y establecer las leyes de Newton como siempre, sólo que con esos términos extra. Conceptualmente, lo que GTR hace a la teoría newtoniana $\mathbf{F} = m\mathbf{g}$ es simplemente decir que la fuerza gravitacional es una fuerza inercial también, es decir, puedes hacerla desaparecer tomando un marco inercial local, pero no pasa nada si finges que eres inercial siempre y cuando la añadas a las ecuaciones de fuerza (cosa que la mecánica newtoniana hace de todos modos).

Cuantitativamente, por supuesto, el límite newtoniano de GTR es bastante más complicado, pero el resultado es que la mecánica newtoniana es una muy buena aproximación en muchas circunstancias. (En el formalismo de GEM para la RGT de campo débil, las fuerzas centrífugas y de Coriolis son en sí mismas sólo casos especiales de los campos gravitoeléctricos y gravitomagnéticos).

Answer 3

Buena pregunta.

En la mecánica clásica, la primera ley de Newton dice que un objeto que no experimenta ninguna fuerza está en reposo.

Por supuesto, esto no es del todo correcto, ya que hay una matización: o se mueve a velocidad uniforme en línea recta.

Pero esto es un artefacto de la relatividad galileana: imagina que estás junto a una esfera en el espacio; y que ambos estáis en reposo; ahora supón que das un empujón a la esfera; y que ésta se aleja a una velocidad uniforme en línea recta; pero debido a la relatividad galileana, es igualmente posible imaginar que la esfera está en reposo y no se mueve, y que tú eres el que se mueve.

Esto significa que tenemos que ampliar la noción de descanso para que incluya este fenómeno.

En la RG, es lo mismo excepto que ahora la esfera se mueve a lo largo de una geodésico La línea recta curvada, lo que significa que nos parece que se está acelerando, que es exactamente lo que vemos.

Sin embargo, esto no explica por qué la tierra, estando tan cerca de la pluma y la bala de cañón, no debería caer con ellas, de modo que las tres se mueven con el mismo movimiento; y la pluma y la bala de cañón nunca alcanzarán a la tierra.

Esto se debe a que estamos utilizando la masa de la Tierra para curvar el espacio que la rodea; es un local imagen.

Si tomamos la foto desde el Sol, entonces sí, parece que la tierra, la bala de cañón y la pluma están "cayendo" juntas.

Answer 4

Creo que se refería a que no hay otras fuerzas que actúen sobre ellos salvo la gravitatoria por lo tanto nada que los frene/acelere más que el otro.

Answer 5

Creo que Brian sacó de contexto una de las citas de Einstein. La cita es: "Si un hombre en el espacio está en caída libre sin el respaldo de la Tierra o un punto de referencia no tendría idea de que está cayendo". Así que sin el respaldo del planeta y sin nosotros para observar la pelota y la pluma, ciertamente parecerían estar parados. También llegó a la conclusión de que si un hombre en el espacio fuera recogido de repente por un ascensor que viajara a 9,8m/s^2 no sería capaz de distinguir esta sensación de la gravedad terrestre. Por lo tanto, no hay ninguna diferencia. Por ello, la aceleración se cita a menudo en fuerzas G.

Pero la cuestión de qué es la gravedad (¿es una fuerza, somos nosotros los que viajamos a lo largo de una curva geométrica, o la Tierra se acelera hacia arriba como el hombre del ascensor) desafió incluso a Einstein. Pudo predecir su comportamiento, pero renunció a preguntarse por qué y cómo.