La mayoría de las fuerzas tienen un punto final. Un objeto cargado positivamente, cuando toca un objeto cargado negativamente, se vuelve neutral y deja de atraer otros objetos cargados negativamente. Necesitamos energía para ionizarlo de nuevo. Un imán permanente pierde constantemente su magnetismo a medida que sus átomos y su alineación magnética se desalinean lentamente. Necesitamos energía en formas como la electricidad para mantener constantemente algo magnético. La fusión y la fisión radiactivas se descomponen o forman nuevos átomos a partir de los antiguos, pero los nuevos átomos son muy estables en comparación con los antiguos, incluso la energía nuclear parece llegar a un punto final. Pero, ¿por qué la gravedad no tiene un punto final? A medida que un objeto acumula masa, tiene más fuerza gravitacional. Estoy de acuerdo, para separar el objeto de la masa, debemos requerir energía, pero aún así el objeto no deja de atraer nuevos objetos.
En resumen, las fuerzas eléctricas, magnéticas y nucleares necesitan energía para ser creadas y mantenidas . ¿Por qué la gravedad no requiere esta energía de mantenimiento?
Ha descrito algunas formas de almacenamiento de energía potencial que "pierden" energía con el tiempo. A medida que se desintegra una muestra radiactiva, la energía potencial de los átomos se convierte en otras formas de energía. Una batería cargada puede perder carga con el tiempo, ya que la energía química de la batería se disipa lentamente en el medio ambiente. Un condensador puede contener energía potencial, que se descarga cuando las placas se tocan. Una torre de agua con un pequeño agujero en la parte inferior tendrá una fuga, literalmente, perdiendo la energía potencial almacenada en el agua. Todas estas son formas de almacenamiento de energía potencial que parecen "perder" energía espontáneamente con el tiempo, pero en realidad podemos rastrear cómo esa energía se filtra fuera del dispositivo de almacenamiento y se convierte en otras formas: la energía nunca es realmente " perdido", simplemente va a otro lugar.
La energía potencial gravitacional no es diferente. Los objetos sin soporte caen espontáneamente al suelo, disipando la energía potencial que alguna vez tuvieron. A medida que las montañas se erosionan y se vuelven más bajas en elevación, contienen menos energía potencial. Para mantener la energía potencial gravitacional en un sistema, tendrías que levantar cada guijarro que rodó por una montaña de regreso a donde comenzó, realizando un trabajo para mantener la energía potencial "llena", exactamente de la misma manera que Es posible que necesite recargar una batería que se descargó lentamente durante un largo período de tiempo. Básicamente, ninguna forma de energía necesita ser "mantenida", es solo que la mayoría de las formas de almacenamiento de energía no son perfectas y disipan esa energía en otras formas.
El hecho de que a medida que un objeto acumula masa ejerza una mayor fuerza gravitacional no dice nada sobre la energía del sistema. Un gran meteoro lejos de la tierra tiene una gran cantidad de energía potencial gravitatoria que se disiparía si chocara con la tierra. Después de eso, la Tierra ahora tiene mayor masa y ejerce una fuerza gravitacional mayor sobre otros objetos distantes, pero el potencial gravitacional del sistema Tierra-Meteorito se disipa por completo.
El teorema virial se aplica a las fuerzas gravitatorias, con el resultado de que, en un sistema ligado, la energía cinética promedio tiene la mitad de la magnitud de la energía potencial promedio :
Esto es en una imagen en la que pensamos en un sistema como "ligado" si su energía total es negativa, porque las partículas no tienen suficiente energía cinética para escapar al infinito.
Si tenemos suficientes partículas unidas que interactúan gravitacionalmente como para pensar en ellas como "un gas", entonces la temperatura de ese gas es como la energía cinética, . Esto da el sorprendente resultado de que la capacidad calorífica de un sistema ligado gravitacionalmente es negativa:
Esto es diferente de nuestras experiencias habituales con la capacidad calorífica. Si agrego energía a un bloque de hierro, generalmente se calentará más. Pero si agrego energía a un sistema gravitacional, generalmente se hará más grande y todas las órbitas se volverán más lentas .
Por ejemplo, considere lo que le sucede a una estrella cuando se queda sin hidrógeno en su núcleo y la fusión se ralentiza. Es la energía de la fusión la que sostiene a la estrella, por lo que las capas externas comienzan a comprimir el núcleo... haciéndolo más caliente. Si esta compresión continúa lo suficiente, el núcleo se calentará lo suficiente como para comenzar a quemar la "ceniza" de helio que quedó de la fusión del hidrógeno. La quema de helio es mucho más energética que la quema de hidrógeno, por lo que la estrella en su conjunto se calienta... lo que hace que las capas exteriores de la estrella se expandan y se enfríen. Cuando esto le suceda a nuestro Sol, se convertirá en una “estrella gigante roja”: su superficie será más fría que ahora, pero su brillo total aumentará. En algunas estrellas "variables", la retroalimentación entre estos procesos puede hacer que la estrella oscile.
El "punto final" para un sistema ligado gravitacionalmente es cuando toda la masa se ha derrumbado en un agujero negro. Sin embargo, la mecánica cuántica predice que los agujeros negros emiten radiación de Hawking con una temperatura como , y los agujeros negros todavía tienen una capacidad calorífica negativa. Un agujero negro en un ambiente caliente será un absorbente neto de radiación y se hará más grande y más frío. Un agujero negro en un ambiente frío será un emisor neto de radiación y se hará más pequeño y más caliente.
Es por eso que aparentemente puedes extraer energía de un sistema gravitacional para siempre: cuanta más energía extraigas, más caliente se vuelve. Las capacidades de calor negativas son extrañas.
¿Por qué la gravedad parece sacar energía de la nada?
Estás mezclando conceptos de energía y fuerza. La fuerza gravitatoria "no obtiene energía", pero sí trabaja sobre un objeto si el objeto se mueve. El trabajo es una cantidad escalar definida como fuerza sobre el desplazamiento.
¡Si no hay desplazamiento, no se está haciendo ningún trabajo!
Un objeto cargado positivamente, cuando toca un objeto cargado negativamente, se vuelve neutral y deja de atraer otros objetos cargados negativamente.
Esto es cierto porque la fuerza electromagnética puede ser tanto de atracción como de repulsión, mientras que la fuerza de la gravedad solo es de atracción. Tenga en cuenta que hay cuatro fuerzas fundamentales conocidas : gravitacional, electromagnética, fuerte y débil. Estos no pueden ser explicados por alguna fuerza más fundamental*, así es como funciona la naturaleza. Tal vez algún día los científicos logren encontrar el denominador común para las cuatro fuerzas: consulte la Gran Teoría Unificada para obtener más detalles.
¿Qué causa esta anomalía?
No hay anomalía. La fuerza gravitacional solo es atractiva porque la masa, a diferencia de la carga, es solo positiva.
En resumen, las fuerzas eléctricas, magnéticas y nucleares necesitan energía para mantenerse. ¿Por qué la gravedad no requiere esta energía de mantenimiento?
Ninguna fuerza fundamental necesita energía para ser "mantenida" . Tenga en cuenta que la energía es un concepto abstracto que es sólo eso: una abstracción . Se reconoció que la ecuación para el trabajo brindaba resultados útiles, y así fue como se introdujo el concepto de energía en la física.
Responda a esta pregunta: ¿cuánto trabajo se realiza mientras está sentado inmóvil en su silla? La fuerza gravitacional te jala hacia abajo, hacia el centro de la Tierra, pero no funciona en este ejemplo.
Lo que noté es que los estudiantes generalmente relacionan el trabajo (energía) con el esfuerzo que necesitan hacer para cargar algo, caminar, trepar, nadar, etc. Aunque hay algunas similitudes, no debe relacionar el trabajo como se define en física con el esfuerzo. inviertes para hacer algún "trabajo". Por ejemplo, cuando sostienes un objeto pesado sin moverlo, aunque sientes esfuerzo y ganas de hacer algún trabajo, en lo que respecta a la física, no estás haciendo ningún trabajo.
*De hecho, la interacción electrodébil es la descripción unificada de las fuerzas fundamental electromagnética y débil. Consulte aquí para obtener más detalles: "Interacción electrodébil"
JG
Venkat Sarma
JG
Salomón lento