Rotación absoluta
En física , el concepto de rotación absoluta ( rotación independiente de cualquier referencia externa ) es un tema de debate sobre la relatividad , la cosmología y la naturaleza de las leyes físicas .
Para que el concepto de rotación absoluta tenga sentido científico, debe ser medible. En otras palabras, ¿puede un observador distinguir entre la rotación de un objeto observado y su propia rotación? Newton sugirió dos experimentos para resolver este problema. Uno es el de los efectos de la fuerza centrífuga sobre la forma de la superficie del agua que gira en un cubo , equivalente al fenómeno de la gravedad rotacional utilizado en las propuestas para los vuelos espaciales tripulados . El segundo es el efecto de la fuerza centrífuga sobre la tensión de una cuerda que une dos esferas que giran alrededor de su centro de masa.
Mecánica clásica
El argumento del cubo de Newton
Newton sugirió que la forma de la superficie del agua indica la presencia o ausencia de rotación absoluta en relación con el espacio absoluto : el agua en rotación tiene una superficie curva, el agua quieta tiene una superficie plana. Debido a que el agua en rotación tiene una superficie cóncava, si la superficie que ves es cóncava y no te parece que el agua esté girando, entonces estás girando con el agua.
La fuerza centrífuga es necesaria para explicar la concavidad del agua en un marco de referencia que gira junto con el agua, porque el agua parece estacionaria en este marco y, por lo tanto, debería tener una superficie plana. Por lo tanto, los observadores que miran el agua estacionaria necesitan la fuerza centrífuga para explicar por qué la superficie del agua es cóncava y no plana. La fuerza centrífuga empuja el agua hacia los lados del balde, donde se acumula cada vez más. La acumulación se detiene cuando cualquier ascenso adicional cuesta tanto trabajo contra la gravedad como la energía obtenida de la fuerza centrífuga, que es mayor a un radio mayor.
Si se necesita una fuerza centrífuga para explicar lo que se ve, entonces se está rotando. La conclusión de Newton fue que la rotación es absoluta. [1]
Otros pensadores sugieren que la lógica pura implica que sólo la rotación relativa tiene sentido. Por ejemplo, Bishop Berkeley y Ernst Mach (entre otros) sugirieron que lo que importa es la rotación relativa con respecto a las estrellas fijas , y que la rotación de las estrellas fijas en relación con un objeto tiene el mismo efecto que la rotación del objeto con respecto a las estrellas fijas. [2] Los argumentos de Newton no resuelven esta cuestión; sin embargo, sus argumentos pueden considerarse como el establecimiento de la fuerza centrífuga como base para una definición operativa de lo que realmente queremos decir con rotación absoluta. [3]
Esferas giratorias
Newton también propuso otro experimento para medir la velocidad de rotación de una persona: utilizar la tensión de una cuerda que une dos esferas que giran alrededor de su centro de masas. Una tensión distinta de cero en la cuerda indica la rotación de las esferas, independientemente de que el observador piense o no que están girando. Este experimento es, en principio, más sencillo que el del cubo, porque no necesita involucrar la gravedad.
Más allá de una respuesta simple de "sí o no" a la rotación, uno puede realmente calcular su rotación. Para ello, uno toma la tasa de rotación medida de las esferas y calcula la tensión apropiada a esta tasa observada. Esta tensión calculada luego se compara con la tensión medida. Si las dos coinciden, uno está en un marco estacionario (no giratorio). Si las dos no coinciden , para obtener una coincidencia, uno debe incluir una fuerza centrífuga en el cálculo de la tensión; por ejemplo, si las esferas parecen estar estacionarias, pero la tensión no es cero, toda la tensión se debe a la fuerza centrífuga. A partir de la fuerza centrífuga necesaria, uno puede determinar su velocidad de rotación; por ejemplo, si la tensión calculada es mayor que la medida, uno está rotando en el sentido opuesto a las esferas, y cuanto mayor sea la discrepancia, más rápida será esta rotación.
La tensión en el alambre es la fuerza centrípeta necesaria para mantener la rotación. Lo que experimenta el observador que gira físicamente es la fuerza centrípeta y el efecto físico que surge de su propia inercia. El efecto que surge de la inercia se denomina fuerza centrífuga reactiva .
Si los efectos de la inercia se atribuyen o no a una fuerza centrífuga ficticia es una cuestión de elección.
Relatividad especial
En 1913, el físico francés Georges Sagnac realizó un experimento similar al de Michelson-Morley , cuyo objetivo era observar los efectos de la rotación. Sagnac realizó este experimento para demostrar la existencia del éter luminífero que la teoría de la relatividad especial de Einstein de 1905 había descartado.
El experimento de Sagnac y otros experimentos similares posteriores demostraron que un objeto estacionario en la superficie de la Tierra rotará una vez por cada rotación de la Tierra si se utilizan estrellas como punto de referencia estacionario. Por lo tanto, se concluyó que la rotación es absoluta y no relativa. [ cita requerida ]
Relatividad general
El principio de Mach es el nombre dado por Einstein a una hipótesis a menudo atribuida al físico y filósofo Ernst Mach .
La idea es que el movimiento local de un sistema de referencia giratorio está determinado por la distribución a gran escala de la materia en el universo. El principio de Mach dice que existe una ley física que relaciona el movimiento de las estrellas distantes con el sistema inercial local. Si ves todas las estrellas girando a tu alrededor, Mach sugiere que existe alguna ley física que haría que sintieras una fuerza centrífuga . El principio se suele formular de forma vaga, como " la masa de ahí afuera influye en la inercia de aquí".
El ejemplo que consideró Einstein fue la esfera elástica giratoria. Como un planeta giratorio que se abomba en el ecuador, una esfera giratoria se deforma en un esferoide achatado (aplastado) dependiendo de su rotación.
En la mecánica clásica, una explicación de esta deformación requiere causas externas en un marco de referencia en el que el esferoide no está rotando, y estas causas externas pueden tomarse como "rotación absoluta" en la física clásica y la relatividad especial. [4] En la relatividad general , no se invocan causas externas. La rotación es relativa a las geodésicas locales , y dado que las geodésicas locales eventualmente canalizan información de las estrellas distantes , parece haber una rotación absoluta relativa a estas estrellas. [5]
Véase también
Referencias
- ^ Max Born y Günther Leibfried (enero de 1962). Teoría de la relatividad de Einstein. Courier Dover Publications. pp. 78-79. ISBN 0-486-60769-0.
- ^ BK Ridley (1995). Tiempo, espacio y cosas (3.ª ed.). Cambridge University Press. pág. 146. ISBN 0-521-48486-3.
- ^ En lugar de justificar un vínculo causal entre la rotación y los efectos centrífugos, los argumentos de Newton pueden considerarse como una definición de la "rotación absoluta" al enunciar un procedimiento para su detección y medición que implica la fuerza centrífuga. Véase Robert Disalle (2002). I. Bernard Cohen y George E. Smith (ed.). The Cambridge Companion to Newton. Cambridge University Press. pp. 44–45. ISBN 0-521-65696-6.
- ^ Ferraro, Rafael (2007), "Capítulo 8: Inercia y gravedad", El espacio-tiempo de Einstein: una introducción a la relatividad especial y general , Springer Science & Business Media, ISBN 9780387699462
- ^ Gilson, James G. (1 de septiembre de 2004), Principio de Mach II , arXiv : physics/0409010 , Bibcode :2004physics...9010G
