¿Qué es un marco inercial?

Question

A lo largo de mi vida me han dicho que un marco inercial es aquel que no se acelera y me conformaba con eso. Bueno, hasta hoy, hasta que pregunté: ¿aceleración con respecto a qué? Ahora me parece una definición errónea.

Otra definición establece que un marco inercial es aquel en el que un cuerpo permanece en reposo o se mueve a velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza. Esta definición también parece defectuosa, ¿no solemos saber si una fuerza actúa o no sobre un cuerpo midiendo su aceleración? ¿Cómo podemos pasar a hacer lo contrario tan rápidamente?

Wikipedia define un marco de inercia como:

En física clásica y relatividad especial, un marco de referencia inercial (también marco de referencia inercial o marco de inercia, marco de referencia galileano o espacio inercial) es un marco de referencia que describe el tiempo y el espacio de forma homogénea, isotrópica e independiente del tiempo[1] La física de un sistema en un marco inercial no tiene causas externas al sistema[2].

Bueno, esto parece demasiado complicado para mí, ¿puede alguien ayudar a explicarlo en términos más sencillos, por favor? ¿Cómo pueden el tiempo y el espacio ser "homogéneos", "isótropos" e "independientes del tiempo"?

Por último, ¿podemos definir un marco inercial como aquel en el que se cumplen las tres leyes de la mecánica de Newton?

Answer 1

La definición de Wikipedia no dice que "el espacio es homogéneo, isotrópico e independiente del tiempo". Dice que a veces se puede describen el espacio de forma homogénea, isotrópica e independiente del tiempo, y si puedes hacerlo, estás usando un marco de referencia inercial. Puedes describir el mismo región del espacio utilizando diferentes marcos de referencia, algunos inerciales y otros no inerciales. La página web descripciones será diferente en los marcos inerciales y no inerciales, pero ambos están describiendo el mismo espacio .

Para explicar lo que significan los tres términos en palabras más sencillas, imagina que has montado un laboratorio de física en una nave espacial sin ventanas, (por lo que no puedes mirar nada fuera de la nave para ver cómo se mueve la nave) y quieres saber si un marco de referencia fijado a la nave es inercial.

"Homogéneo" significa que un experimento siempre da los mismos resultados cuando se hace en diferentes lugares del laboratorio.

"Isotrópico" significa que un experimento siempre da los mismos resultados si se cambia la orientación (como ejemplo sencillo, supongamos que giramos el aparato 90 grados en nuestra mesa de laboratorio y volvemos a hacer el experimento).

"Independiente del tiempo" significa que un experimento siempre da los mismos resultados si se repite en diferentes momentos.

Si el marco fijado al barco es no inercial (por ejemplo, la nave está acelerando o girando), se pueden inventar ejemplos en los que esos criterios no se cumplan.

Answer 2

Su pregunta se reduce en última instancia a "¿Acelerar con respecto a qué?".

Pero el primer factor a tener en cuenta es que las aceleraciones no son relativas. Dados dos astronautas a la deriva en el espacio con una velocidad constante (en relación con el otro), no hay forma de identificar cuál de ellos se está moviendo y cuál está inmóvil: la respuesta es intrínsecamente una cuestión de perspectiva. Una forma de expresarlo es que, si cada uno de ellos estuviera encerrado en una cápsula, no hay ningún experimento posible que les diga si su velocidad es nula o no.

Pero que dos astronautas aceleren uno respecto al otro no es una cuestión de perspectiva. Ellos ambos coinciden en que el que lleva la mochila-cohete acelera y el que no lleva mochila-cohete no acelera. Las aceleraciones son causadas por fuerzas y las fuerzas son causadas por una interacción con un objeto externo (el combustible del cohete, en este caso). Esa interacción existe o no existe. Si estuvieran encerrados en cápsulas (que tienen propulsores en las cápsulas), hay un montón de experimentos que les dirían si su aceleración es nula o no. Por ejemplo, soltar una pelota y ver si cae al suelo o flota.

Answer 3

Para describir el mundo se necesita un marco de referencia. Pero ¡hay tantos! Por ejemplo, puedo elegir un sistema de referencia unido a mi cabeza. Cuando giro la cabeza ocurren muchas cosas interesantes. Por ejemplo, de repente "salta" varios kilómetros o miles de kilómetros, dependiendo de lo lejos que esté de mí. Sin ninguna razón evidente: nadie te empujaba o tiraba de ti. Las estrellas (incluido el Sol) también saltan, moviéndose más rápido que la luz por cierto.

Todavía es posible utilizar este sistema de referencia para describir el mundo. E incluso es posible crear otros más extraños. Pero las leyes de la naturaleza serían muy extrañas cuando se escribieran en estos sistemas.

Resulta que nuestro mundo no es tan complicado. Hay sistemas de referencia muy buenos, convenientes y "naturales", de manera que las leyes de la naturaleza son más o menos simples cuando se escriben en estos sistemas. Por ejemplo, si nadie toca algún cuerpo este cuerpo no se acelera. Y si el cuerpo se acelera es posible averiguar por qué, qué otros cuerpos influyen en él.

Estos buenos y convenientes marcos de referencia se llaman inerciales. La Primera Ley de Newton establece que tales marcos de referencia existen en nuestro Universo.