¿Se siente ingrávida una rana suspendida magnéticamente?

Question

Levitación magnética se ha utilizado para suspender ranas en el aire. Me preguntaba: ¿Sigue sintiendo el animal la atracción gravitatoria? Es decir: ¿Se siente la rana como un astronauta en la ISS o como un trapecista suspendido de un arnés?

Answer 1

Te sentirías ingrávido si cada parte de tu cuerpo de masa $m$ estaría sometida a una fuerza ascendente igual a $m$ veces la aceleración gravitatoria local $g$ . La levitación diamagnética, como la utilizada en la rana de su ejemplo, no va a producir una anulación tan exacta pieza por pieza. Esta levitación no sólo se acopla en función de la susceptibilidad magnética y no de la masa, sino que, lo que es más importante, se basa en campos magnéticos no homogéneos. Esto significa que una o más partes (centrales) de la rana se elevan con más fuerza que otras.

Mi conjetura es que la rana se siente menos peso, pero extrañamente suspendido por su estómago.

Answer 2

En sensación de peso se debe a póngase en contacto con fuerzas que actúan sólo sobre piezas de tu cuerpo: fuerzas como el pavimento empujando sobre tus pies, el aire pasando a toda velocidad por ciertas partes de tu cuerpo mientras caes a velocidad terminal, el suelo de un ascensor empujando con fuerza reducida sobre tus pies cuando el ascensor inicia su viaje descendente. Básicamente, sientes que una parte de tu cuerpo presiona o tira de otras partes para mantenerlas todas juntas.

La gravedad es un distribuido fuerza. Actúa sobre cada partícula de masa de forma idéntica (con raras excepciones: Véase Larry Niven, Estrella de neutrones ) El cuerpo no necesita fuerzas internas para mantener todas las partes unidas, y te sientes "ingrávido".

En cuanto a la flotación sumergida, está suspendida por la diferencia de presión hidrostática en la parte superior e inferior de cada elemento. La flotabilidad se basa en el volumen, no en la masa. En la medida en que haya variaciones de densidad en tu cuerpo lleno de fluidos, tú se sentir el peso flotando en el agua. Pensemos, por ejemplo, en los tripulantes de un submarino (no inundado).

En cuanto a la levitación magnética, la respuesta de Johannes es correcta. En la medida en que varias masas del cuerpo de la rana experimentan fuerzas magnéticas no en proporción a su masa, la rana experimentará "peso".

Answer 3

Sentirse ingrávido tiene diferentes componentes.

Se puede simular parcialmente la ingravidez con la flotabilidad neutra en el agua. Esto hace que la actividad física bruta se sienta como si estuviera ingrávida (bueno: ingrávida e inmersa en un medio denso y viscoso).

Además, los buceadores tienen grandes dificultades para percibir "abajo" incluso cuando están flotando, por lo que en ese sentido también "se sienten" ingrávidos (al menos, no perciben su peso). Cualquier forma de apoyo que se distribuya tan uniformemente sobre el cuerpo como la fuerza de un fluido externo se sentiría tan ingrávida como eso.

Sin embargo, es posible para que un buceador tenga una sensación de "bajada" desde, por ejemplo, el oído interno o los órganos. Los humanos no deberían contar con eso para llegar a la superficie en la oscuridad, no sé si las ranas pueden. Por supuesto, un acelerómetro en una burbuja de aire dentro de una caja funcionaría aunque el aparato en su conjunto tuviera una flotabilidad neutra. Creo que entrenar bajo el agua es no un buen predictor de lo mareado/nauseabundo que te sentirás en caída libre, así que está claro que la sensación es diferente aunque no lo sea de forma obvia. En cierto sentido, un buceador de altura tiene más derecho a sentirse ingrávido que un buceador de aguas profundas: aparte de la resistencia del aire, cualquiera que caiga tiene al menos fuerzas uniformes en todo el cuerpo.

Ahora, la levitación diamagnética es no una fuerza de un fluido externo, es interna. Con una levitación diamagnética lo suficientemente uniforme, se sentirá al menos tan ingrávido como cuando está en flotación neutra en el agua, y posiblemente más. Así que si te parece bien llamarlo "sensación de ingravidez", la rana se sentiría ingrávida en un campo magnético plano.

Pero aparte de la forma del campo magnético, la levitación no será perfectamente uniforme, porque tu cuerpo no es universalmente diamagnético: algunas partes son más húmedas que otras, o quizá más formalmente la susceptibilidad magnética no tiene por qué ser uniforme en todos los materiales del cuerpo. Así que la cuestión es si la rana puede detectar la irregularidad de la levitación. Si no, entonces se siente ingrávida. Probablemente la respuesta sea como el agua para los humanos: es distinguible de la caída libre, pero la dirección del peso no es inmediatamente obvia.

Por otra parte, si una rana en particular vomita copiosamente en caída libre pero no en levitación magnética, te dirá "claro, se siente muy diferente". Vomitar no es lo mismo que no vomitar, independientemente de lo sutil que haya sido el efecto en sus oídos que le haya provocado el vómito.

Lo que sientes en un arnés es una fuerza igual a tu peso ejercida sobre unos centímetros cuadrados que no son ninguno de los habitual pocos centímetros cuadrados "diseñados" para tal fin. Por lo tanto, la levitación magnética sólo se sentiría como un arnés si la levitación es principalmente de unas pocas partes pequeñas del cuerpo, con mucha menos fuerza o ninguna en el resto. No creo que éste sea generalmente el caso, y esas ranas que levitan no tienen sus extremidades colgando hacia abajo, pero es posible que así sea.

Así que tienes la teoría y luego los detalles prácticos de la construcción de imanes potentes y de ranas. Sospecho que en realidad todo se reduce a lo que la rana está tratando de lograr, y qué mecanismos finos tienen las ranas que pueden detectar "abajo".

Answer 4

La sensación del arnés del trapecio se debe a que, aunque estés suspendido, el arnés ejerce una fuerza normal sobre ti. La rana, en cambio, no experimenta nada de eso. La fuerza electromagnética actúa sobre todas las partes internas y externas de su cuerpo y anula completamente la gravedad. Por lo tanto, se sentiría ingrávida.

Answer 5

Como mencioné en mi comentario, parece que te sentirás ingrávido cuando la fuerza neta ejercida sobre ti sea igual a la fuerza de la gravedad. (Así que básicamente, la gravedad es la única fuerza en juego)

Esto es coherente con el hecho de que los astronautas de la ISS no pesan aunque experimentan una fuerza neta (al fin y al cabo, se mantienen en órbita alrededor de la Tierra). También concuerda perfectamente con la sensación de ingravidez de las personas en caída libre (hasta que la resistencia del aire entra en acción) y con la sensación de ingravidez de los hipotéticos astronautas en el espacio profundo (sin gravedad, sin fuerza neta).

Esto tiene sentido si tenemos en cuenta la definición de peso. El peso es la fuerza que ejerces sobre la tierra (o lo que sea que te conecte a la tierra), no al revés.

En el caso de la rana suspendida en un campo magnético (al igual que colgada en un trapecio) no hay fuerza neta, pero sí gravedad, por lo que la rana experimentará su peso normal. En este caso, la fuerza sobre la tierra se ejerce a través del campo magnético.