Desmitificando la física de la ingravidez en vuelos parabólicos

Los vuelos parabólicos a menudo se describen aproximadamente como un avión que acelera hacia arriba durante un cierto tiempo y luego cae libremente (deteniendo así su empuje) y durante el arco que toma antes de caer directamente hacia abajo, los pasajeros se sienten ingrávidos. Esto se usa para imitar estar en una nave espacial para preparar a los astronautas y, lo que es más importante, los físicos realizan experimentos en estas condiciones para recopilar datos en condiciones de gravedad cercana a cero.

A menudo, para explicar la idea detrás de la sensación de ingravidez percibida, se hace la analogía con un ascensor que acelera hacia abajo, es decir, si el ascensor está acelerando hacia abajo a una velocidad igual a gramo , el pasajero se siente ingrávido. Pero intuitivamente, siempre había imaginado esto al revés, es decir, que si hay una aceleración hacia arriba igual a gramo , el objeto acelerado tendrá una aceleración neta a → = 0 → y esta sería una situación de ingravidez porque no nos sentimos acelerados hacia nada. Pero es cierto que solo a partir de las ecuaciones, por ejemplo, metro = F / a esto no está claro, ya que mi ejemplo descrito incluso implicaría una masa infinita...

Sería genial si alguien pudiera explicar lo que está pasando sin depender de metáforas o analogías demasiado engañosas, y en su lugar argumentando con ecuaciones newtonianas básicas: ¿qué se logra en un vuelo parabólico que llamamos "ingravidez"?

Cuando estás en caída libre cerca de la superficie de la tierra, tu aceleración no es cero: es gramo . La ingravidez proviene del suelo del ascensor que no ejerce ninguna fuerza sobre ti (porque tú no ejerces ninguna fuerza sobre él, ya que tanto tú como el ascensor caen con la misma aceleración).
La gente de la persuasión de la tierra plana también está confundida acerca de esto. Lo que no entienden es que la gravedad en sí misma no es aceleración (a menos que apele a la relatividad general, que realmente los pone al vapor :) Más bien es una fuerza que actúa sobre la materia, algo así como largas bandas elásticas fibrosas tirando literalmente de todo en la tierra hacia el centro de la tierra. Cuanto más masivo es algo, más bandas tiene. Cuando hablamos de la "aceleración de la gravedad" nos referimos a qué tan rápido esas bandas aceleran las cosas hacia el centro de la tierra cuando nada las sostiene .
De hecho no tiene por qué ser parabólico; no es diferente de un astronauta en una nave espacial con los motores apagados que se mueven alrededor de la Tierra en una trayectoria elíptica, parabólica o hiperbólica; aún así, el astronauta estará en ingravidez. Además, si hay más de un solo cuerpo gravitante que afecta a la nave espacial, su trayectoria de movimiento libre puede ser muy complicada, y aún así el astronauta en el interior estará en ingravidez.

Respuestas (5)

Creo que la confusión surge porque piensas que para sentirte ingrávido necesitas a → = 0 . Este no es el caso.

En cambio, definiría la ingravidez de un objeto de la siguiente manera: en el marco de reposo de los objetos, no hay fuerzas que actúen sobre el objeto (a diferencia de que la suma de las fuerzas sea cero, lo que lleva a una aceleración cero según la ley de Newton).

Permítanme ilustrar la diferencia entre los dos tomando el ejemplo de su ascensor.

  1. Te caes con el ascensor. En tu marco y asumiendo que la situación es ideal, no hay fuerzas actuando sobre ti.
  2. Estás en un ascensor que no se cae. Entonces en tu estructura hay dos fuerzas actuando sobre ti. La gravedad te empuja hacia abajo y el suelo te empuja hacia arriba. Ahora me vas a decir 'pero esto no es lo mismo ya que por la ley de Newton las fuerzas suman cero y no debería haber diferencia' . ¡No! La razón es que eres un objeto de tamaño finito . El piso empuja solo sobre tus pies, mientras que la gravedad tira (en una buena aproximación) uniformemente sobre cada parte de tu cuerpo. Esto crea un gradiente de deformacióna lo largo de su cuerpo, es decir, sus pies sienten todo su cuerpo por encima empujándolos hacia abajo mientras que su oído solo siente su cabello (con suerte todavía floreciente). Esto es lo que percibes como "peso", tus pies empujan tu cuerpo. No tendrás eso en un ascensor en caída libre o en un vuelo parabólico.
  3. El ejemplo en la pregunta, que eres tú parado en un ascensor que está acelerando hacia arriba con gramo . Bueno, la misma historia que en 2, excepto que ahora tienes el doble de presión en los pies.

Esta no es solo la razón por la que nos sentimos ingrávidos en un vuelo parabólico, sino que en algunos casos también es la razón por la que la gente quiere hacer experimentos de física en condiciones de ingravidez. La mayoría de los sistemas físicos son objetos de tamaño finito y si desea realizar un experimento de precisión en el que la diferencia de fuerza de las diferentes partes realmente importe, tendría que inventar una forma de evitar que se caigan sin apoyarlas en el suelo, o entrar en caída libre (descargo de responsabilidad: en realidad no sé si alguien hace mediciones de precisión en vuelos parabólicos. Lo dudo, porque los aviones son inestables). Por supuesto, hay muchos otros efectos, la mayoría de los cuales tienen el mismo origen de los gradientes de tensión/fuerza (por ejemplo, la diferencia en la forma de las llamas, consulte este artículo ).

EDITAR: ¡Asegúrate de revisar el comentario de MaximUmansky a continuación!

Excelentes explicaciones, gracias. Si puedo preguntar, ¿por qué las caídas libres se dan como ejemplos de ingravidez? porque todavía hay fuerzas que actúan sobre nosotros, a saber, la gravedad e incluso la fricción del aire.
@ usuario929304 gracias! De hecho, la gravedad todavía actúa sobre nosotros, pero dado que se aplica a cada parte de su cuerpo, desaparece en su marco de descanso . (porque no hay gradientes de deformación para tal fuerza, al menos si aproximamos el campo gravitatorio como constante). La fricción también está ahí, ¡tienes razón! Pero podemos despreciarlo como una aproximación para un vuelo parabólico. Espero que te ayude, ¡avísame si tienes más preguntas!
Gracias, tiene mucho sentido. Entonces, ¿podemos generalizar diciendo que en la mayoría de los casos en los que no hay una fuerza normal sobre nosotros que contrarreste la gravedad, solo nos "sentimos" ingrávidos ya que cada parte de nuestro cuerpo está sujeta a la misma aceleración [*] y no estamos empujando contra cualquier cosa. Con comillas porque en realidad no significa que seremos fáciles de empujar ya que todavía tenemos nuestra masa en reposo distinta de cero, porque el cambio de momento necesario para mover un cuerpo incluso en el vacío es proporcional a la masa de ese cuerpo. ¿Es esto un resumen de sonido?
[*]: deberíamos agregar una pequeña advertencia aquí de la siguiente manera: todavía estamos siendo acelerados, aunque es constante, todavía está cambiando nuestro impulso en el tiempo ∂ pag / ∂ t ≠ 0 , pero entonces, ¿por qué no sentimos una fuerza ficticia actuando sobre nosotros en dirección opuesta a la fuerza gravitatoria? similar a cómo cuando un automóvil acelera hacia adelante somos empujados hacia atrás.
@ user929304 si bien lo que dijiste es mayormente correcto, te animo a que también pienses en las tensiones en tu cuerpo. ese también es realmente el núcleo de lo que traté de decir en mi respuesta.
Es interesante notar que se está desarrollando un 'traje de piel' ajustado de alta tecnología, el traje de contramedida de carga de gravedad (GLCS, por sus siglas en inglés), para que los astronautas creen tensión en el cuerpo y lo sientan más natural para los humanos en ingravidez y contrapeso negativo. efectos de la misma en la salud humana. Consulte esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Astronauts/…
@MaximUmansky eso es genial, gracias por compartir!!
@ user929304 No hay nada que proporcione la fuerza que "te empuja hacia atrás". No hay movimiento que resistir, el avión en el que estás de repente comienza a entrar en caída libre a la misma velocidad que tú. Una gran diferencia entre esto y el paracaidismo tiene que ver con la "fricción" que parecías eludir. Por lo general, cuando estás en caída libre, sientes cierta resistencia debido a la fuerza de arrastre. La fuerza de arrastre se manifiesta porque estás viajando por el aire a velocidades relativamente rápidas. En un recipiente cerrado, como un avión, el aire está en caída libre con usted, por lo que no resiste el movimiento y, por lo tanto, no se siente.

En un vuelo parabólico o caída libre, tanto el suelo sobre el que se coloca el objeto como el propio objeto se mueven con la misma aceleración que es g=9,8 m/s. En otras palabras, el suelo cae a la misma velocidad que el objeto, por lo que el objeto experimenta una caída libre. Di si estás parado en un ascensor que cae. Tanto tú como el ascensor tienen la misma aceleración g. Decides saltar. Saltas y ahora se supone que debes caer hacia abajo, pero el piso del ascensor (de hecho, el propio ascensor) está cayendo al mismo ritmo que tú, por lo que en tu marco de referencia no experimentas ninguna aceleración neta. Ahora digamos que estás parado en un ascensor que sube con una aceleración g. Saltas de nuevo. Te caes debido a la aceleración de la gravedad. Además, el suelo avanza hacia ti con aceleración g.

En términos de las leyes de Newton y nuestra experiencia como humanos pensamos en esto:

Cuando estás parado en el suelo, la gravedad te tira hacia abajo y mueres, te presionas contra el suelo, lo que genera una fuerza de reacción normal hacia arriba. Esta fuerza de reacción Normal le da la sensación de estar en contacto con el suelo.

Ahora considere el movimiento de un proyectil. La trayectoria del proyectil es una parábola y observe que la aceleración de una partícula en una parábola siempre es g hacia abajo, por lo que si un avión sigue esta trayectoria, el piso del avión también cae en g hacia abajo, por lo que la persona ya no está presionada. entonces contra el piso (ya que el piso parece caerse) y la fuerza de reacción normal ahora es 0. Eso es ingravidez.

Como señala Nick, el peso es la sensación que tienes cuando el suelo empuja tus pies hacia arriba. Lo que sientes es la repulsión electromagnética en tus pies que la tierra ejerce sobre ti. Esta fuerza te acelera a un ritmo de − gramo que se suma a la atracción gravitatoria para dejarte en reposo. En caída libre solo actúa la atracción gravitacional. Efectivamente estás acelerado PERO no lo sientes. No puedes saberlo. Porque no hay nada empujando tus pies. Y esto es extremadamente profundo y, de hecho, el punto de partida de la Relatividad General.

Esto se llama el principio de equivalencia y es especial de la gravedad (en contraste con otras fuerzas). El punto es que la carga bajo la gravedad (masa gravitacional) es exactamente la misma que la masa inercial (a diferencia de la carga eléctrica que obviamente no coincide con la masa inercial). Esto a su vez implica que no se puede distinguir la aceleración de la atracción gravitatoria. Einstein usó esta idea para argumentar que la atracción gravitacional no existe. En cambio, nos movemos en un espacio-tiempo curvo. Entonces, la fuerza gravitacional no existe. Entonces, de hecho, cuando estás en caída libre t h mi r mi a r mi norte o F o r C mi s mi X mi r t mi d o norte y o tu .

Para resumir: no puedes decir que estás en caída libre, porque no puedes distinguir la aceleración de la atracción gravitacional.

Y sobre las ecuaciones de Newton, solo estás usando signos incorrectos. La cuestión es cómo acelera el suelo con respecto a ti. Si el ascensor tiene la misma aceleración que tú, la aceleración que F mi mi yo es la resta. Eso es, gramo − mi yo mi v a t o r A C C mi yo mi r a t i o norte .

Saludos.

La forma de entender es el concepto de marco de referencia no inercial. La mecánica clásica (y más aún la ley inercial) trabaja en marco de referencia inercial, aquel que no sufre aceleración (también llamado marco de referencia galileano). Si quieres usar

F → = metro a →
, el a está en un marco de referencia inercial. Entonces, para el avión que cae, acelera hacia abajo en gramo . En un marco de referencia inercial exterior, su aceleración en este marco a i F → es igual a tu aceleracion a pag → en el avión más la aceleración de su avión (marco de referencia no inercial), a pag F → = gramo → . Entonces la ley de Newton en el marco inercial escribe:
F → = metro a i F → = metro ( a pag → + a pag F → )
F → − metro a pag F → = metro a pag →
el − metro a pag F → término se llama fuerza ficticia. Da lugar a la fuerza centrífuga (opuesta a la aceleración centrípeta) y la fuerza de Coriolis es su marco no inercial que ahora gira alrededor de un eje. Ahora si tu única fuerza F → es gramo → , tienes
metro a pag → = 0
Eso es ingrávido. Insisto, no es un sentimiento, es un estado de fuerza nula real.

y en el caso de su otro ejemplo (el ascensor que sube), experimentará una fuerza de 2g. Puedes obtener este resultado haciendo el mismo cálculo. En realidad, esta es la razón por la cual el piloto de un avión de guerra experimenta pocos g durante el despegue: la aceleración hacia adelante crea una fuerza ficticia hacia atrás.
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