¿Cómo se determina un marco inercial?

Imagine una masa puntual unida a los extremos de seis resortes idénticos de longitud relajada$L$. Los resortes están orientados en pares colineales, con estos pares mutuamente perpendiculares a los otros pares, es decir, forman un$(x,y,z)$sistema coordinado. Une los otros extremos a las paredes de un cubo de dimensión.$2L$.

Si la masa permanece en el centro del cubo, el cubo está en un marco de referencia inercial.

Hay un cierto número de fuerzas conocidas, por lo que podrías empezar por descartar cada una mediante un experimento.

Por lo demás las llamadas fuerzas ficticias -la fuerza centrífuga y el efecto de Coriolis- tienen la característica de que proporcionan la misma aceleración a todos los objetos, independientemente de su masa . Como saben, en mecánica clásica$a = F/m$por lo tanto, las fuerzas en general acelerarán objetos con diferentes masas a diferentes velocidades. La única fuerza real conocida que hace eso es la gravedad.

Material adicional: esta última observación fue, de hecho, central en el desarrollo de la Relatividad General. En GR, la gravedad se ve de hecho como algo ficticio como la fuerza centrífuga, y debido a la forma en que el observador establece el espacio-tiempo coordinado.

Un marco de referencia inercial es aquel que no está acelerando. Un marco que está acelerando con respecto a otro marco inercial es un marco de referencia no inercial.

Un marco inercial se mueve con velocidad constante con respecto a otros marcos inerciales, de modo que un observador dentro del marco no puede detectar ningún movimiento del marco, a menos que mire fuera del marco. No hay diferencia en los atributos de ninguna dirección dentro del marco.

Un reloj colocado en cualquier parte del marco inercial puede sincronizarse con un reloj en cualquier otra parte del marco, y todos los relojes así sincronizados dan la misma hora.

Si una partícula se desvía de una línea recta, comience a buscar fuerzas dentro del marco de inercia que causarían la desviación. Si no puede encontrar ninguno, es muy posible que NO se encuentre en un marco de referencia inercial. Sin embargo, aunque un objeto se desvíe de una línea recta en un campo gravitatorio, puede considerar el área de superficie del cuerpo gravitatorio como un marco de referencia inercial, ya que la fuerza normal entre la superficie y los objetos en la superficie cancela la aceleración.

Respuesta corta:

No se puede determinar si un marco de referencia es inercial. Es simplemente imposible. Esta situación se evita en la Relatividad General (o cualquiera de sus extensiones), ya que en GR la física no depende del marco de referencia (cualquier marco de referencia), y el concepto de marco inercial no es necesario. Por supuesto, se puede determinar un marco inercial que sea lo suficientemente bueno para un sistema dado, pero no se puede determinar, por ejemplo, un marco inercial para describir el movimiento de las galaxias en todo el universo.

Respuesta larga:

Como señaló Andrea Di Biagio, se puede razonar por exclusión. Si una partícula se mueve en línea recta y no se aplica fuerza, el marco de referencia es inercial. Dado que hay un número finito de fuerzas conocidas, en principio se puede descartar cada una de ellas y reducirlas a una situación en la que no se aplica ninguna fuerza a la partícula. Hay al menos dos puntos débiles en este razonamiento:

1) La lista de fuerzas conocidas en la física moderna es: interacciones gravitacionales, electromagnéticas, débiles y fuertes. Nadie sabe si esta lista está completa, por supuesto, por lo tanto, en principio, el razonamiento por exclusión no puede funcionar.

2) En la mecánica clásica, dos cuerpos distantes pueden interactuar a lo largo de una gran distancia a través del campo electromagnético o gravitacional. Por lo tanto, para excluir, digamos, las fuerzas electromagnéticas y gravitatorias, en principio se debe conocer la distribución de carga y masa de todo eluniverso. Considere la siguiente situación. En un laboratorio hipotético en el espacio profundo, lejos de las galaxias y otras densidades de masa visibles, se observa que un neutrón viaja en un determinado marco de referencia. ¿Es esta referencia inercial? ¿Qué pasa si se coloca una estructura muy masiva justo más allá de la porción del universo observable por el laboratorio? ¿Esta distribución de masa ejercerá una fuerza sobre el neutrón en el laboratorio? Como se puede ver, el concepto de marco inercial es muy problemático, y las paradojas que surgen de este concepto no son curables en el marco de la mecánica clásica (de Newton).

Le hice esta pregunta a alguien que estudió física y me dijeron que la siguiente es una definición:

Un marco de referencia en el que un punto de masa lanzado desde el mismo punto en tres direcciones diferentes (no coplanares) sigue caminos rectilíneos cada vez que se lanza se llama marco inercial.