¿Por qué la rotación simula la gravedad si el movimiento es relativo?

En la teoría de la relatividad de Einstein, si el movimiento es verdaderamente relativo, entonces ¿por qué alguien en una estación espacial giratoria experimentaría gravedad ( artificial )? Quiero decir, entiendo por qué experimentan la gravedad SI la estación espacial está girando, pero lo que no entiendo es cómo puedes decir que está girando en primer lugar. ¿No necesitarías definir su movimiento en relación con otro punto en el espacio?

Así que digamos que tenemos dos estaciones espaciales y en nuestro universo hipotético son las únicas dos cosas que existen en todo el universo.

  • En la estación espacial 1, no hay sensación de gravedad.
  • En la estación espacial 2, hay una sensación de gravedad.

Entonces sabemos que la estación espacial 2 está girando y la estación espacial 1 no, debido a la sensación de gravedad que sentimos en la estación 2.

Para un observador en la estación 2, sentiría la gravedad y vería que la estación 1 orbita a su alrededor. Un observador en la estación 1 no sentiría la gravedad y vería la estación 2 girando pero permaneciendo en un lugar. Creo que todos estarían de acuerdo con todas esas observaciones hasta ahora.

Pero aquí es donde falla, creo que tienes que tener algún punto de referencia fijo en el espacio para poder decir que la estación 2 está girando y no es la estación 1 orbitando para tener la sensación de gravedad en la estación 2. Newton parecía tener una respuesta a esto porque dijo que había un "reposo" fijo, pero según Einstein, ¿no creo que haya un reposo fijo?

¿Tiene sentido mi pregunta? Mi confusión también se aplica a la aceleración, parece que tienes que tener un marco de referencia fijo para decir que algo se está acelerando. Sabemos que sentirías los efectos de la aceleración si estuvieras en una nave espacial en el espacio profundo, pero ¿por qué si todo movimiento es relativo? Quiero decir, ¿cómo puedes siquiera decir que estás acelerando y no es todo lo demás en el universo acelerando y en realidad estás parado sin un punto fijo de "reposo" en el espacio?

Jeremy Olson: " ¿cómo puedes decir que está girando en primer lugar? " -- Muy relacionado ("la pregunta opuesta"): "¿Qué determina qué marcos son marcos inerciales?" (PSE/q/3193) . " Según Einstein, ¿no creo que haya un reposo fijo? " -- En la teoría de la relatividad existen métodos definitivos para determinar si varios participantes están en reposo entre sí , o (sólo) rígidos entre sí ( por ejemplo: rotando), o (incluso) moviendo wrt. El uno al otro.
Jeremy Olson: " la sensación de gravedad que sentimos " -- En la teoría de la relatividad, las medidas de las relaciones geométricas (por ejemplo, si los participantes bajo consideración están en reposo entre sí, o simplemente rígidos entre sí) no se basan en sus posibles " sentimientos ", sino en el juicio de coincidencia (o bien: secuencia) de las observaciones de cada participante. Por supuesto, este enfoque no niega la posibilidad o la realidad de tales sentimientos; pero establece una referencia para medir/comparar/distinguir la "agudeza y veracidad de sentimientos " de cada participante.
Me gustaría enfatizar una de las referencias que están enterradas en el hilo al que se vinculó el usuario 122262: la pregunta del OP está más o menos directamente relacionada con el Principio de Mach .
Aquí hay una versión más simple de esto. Si hay una nave espacial en el universo y dices que está girando, ¿con respecto a qué está girando? El propio Einstein tenía un problema con esa pregunta. No soy un experto aquí, pero creo que se refirió al Principio de Mach , que dice aproximadamente que la rotación se puede definir con respecto a la posición promedio de toda la masa en el universo. Según entiendo las cosas, la Relatividad General proporciona un mecanismo para esto. Los expertos nos lo tendrán que explicar.
Algunos antecedentes históricos: Einstein se inspiró en la filosofía de Mach (que no quiere decir que la relatividad general sea necesariamente 100% machista), que a su vez reflejaba mucho de lo que creía Leibniz. Newton y Leibniz discreparon vehementemente en varias cosas (no solo en cálculo), una de las cuales es si existe una noción de espacio independiente de la materia en el universo. Para contrarrestar la postura de "todo es relativo" de Leibniz, Newton presentó su experimento mental del balde , al que, hasta donde yo sé, ninguno de sus contemporáneos tuvo una buena respuesta.
So we know that space station 2 is rotating and space station 1 is not because of the sensation of gravity we feel in station 2.y también porque dado que la estación 1 no está orbitando alrededor de la estación 2, están siendo atraídas una hacia la otra.
Un marco giratorio es un marco de aceleración o un marco no inercial, por lo tanto, hay una fuerza involucrada.
Iba a hacer una pregunta similar. Es decir, ¿por qué la aceleración es indistinguible de la gravedad? Por ejemplo, si está dentro de una caja cerrada experimentando (o midiendo la aceleración), no sabe si la caja está en un campo gravitacional, si es acelerada por un cohete o forzada a seguir una trayectoria circular.

Respuestas (7)

La velocidad es relativa. No existe un marco de referencia especial que estaría "en reposo".

Pero la aceleración no lo es y nunca se afirmó que lo fuera. Los marcos de referencia en caída libre son especiales y los marcos de referencia que se aceleran en relación con los de caída libre contienen fuerzas de inercia (el movimiento circular implica aceleración hacia el centro; la fuerza de inercia correspondiente se llama fuerza centrífuga).

Así se puede distinguir cuál de las estaciones está girando y la teoría de la relatividad nunca afirmó lo contrario.

Usted ha dicho que la aceleración no es relativa y que los marcos de referencia acelerados contienen fuerzas de inercia. Pero lo que realmente estoy preguntando es, ¿por qué los marcos de referencia acelerados sienten fuerzas de inercia cuando no hay un "reposo" fijo por el cual definir que están acelerando?
@JeremyOlson La aceleración es dv/dt. No necesita un marco de reposo para observar que dv/dt no es cero, solo dos marcos y una forma de medir la distancia/ángulo entre los dos. Por ejemplo, el centro de un satélite en rotación frente al movimiento de la periferia.
Pero el cambio de velocidad es un cambio en la tasa de velocidad, cuya velocidad es el cambio de posición a lo largo del tiempo, por lo que el cambio de posición en relación con ¿cuál es la pregunta?
En otras palabras, toma el disco giratorio, ¿cómo sabes que está girando si solo lo estás comparando consigo mismo? Por ejemplo, toma un punto en ese marco giratorio en un instante y luego nuevamente en un punto posterior en el tiempo seguirá estando en la misma posición exacta en relación con cada faceta del marco giratorio como estaba en el instante anterior, por lo que por que contando no se ha movido. La única forma de tener "movimiento" y, por lo tanto, aceleración es poder decir en un primer instante que estaba en el punto A y luego en un instante posterior en el punto B. El punto A y el punto B deben ser independientes del marco giratorio.
Entonces, regrese unas semanas más tarde y lea por segunda vez el comentario que dice: "No necesita un marco de reposo para observar que dv/dt no es cero, solo dos marcos y una forma de medir distancia/ángulo entre los dos"... entonces, ¿estás diciendo que si no tienes 2 fotogramas, no experimentarás los efectos de la aceleración? En otras palabras, ¿está diciendo que en un universo hipotético que solo contuviera 1 marco de referencia no sería posible acelerar, así que no importa lo que hiciera, girar, empujar hacia adelante, no importaría porque siempre se sentiría como usted? no se mueven?
Estaba leyendo sobre la rotación absoluta, e implica que la única evidencia que sugiere que algo está girando cuando no tiene una referencia, es su forma y tensión central. Si eso es cierto, ¿eso también implica que el universo también tiene un eje estático X, Y y Z? contrario a la relatividad.
@Flosculus, implica que hay un eje estático, pero cualquier conjunto de ejes estáticos sigue siendo equivalente.
@JeremyOlson, cada universo tiene una cantidad infinita de marcos de referencia, porque el marco de referencia es solo una construcción mental. Sin embargo, debe adjuntar dicho marco de referencia a algún objeto para poder observar las leyes de la física en él. Ahora, en un universo que solo contuviera un punto de masa, no habría forma de acelerarlo, porque se debe conservar el momento, y no habría forma de hacerlo girar, porque también se debe conservar el momento angular. Para ambos, necesita que el universo contenga múltiples partículas y luego tiene suficientes objetos para medir las velocidades relativas para detectar la aceleración.
@JanHudec Digamos, por ejemplo, que el universo está poblado por una sola estrella de neutrones y dos astronautas. Un astronauta está parado en la superficie de la estrella, el otro está orbitando a su alrededor a la mitad de la velocidad de la luz. Desde el punto de vista de cada astronauta, cada uno es el marco de referencia al que se mueve el otro, según la relatividad, lo que significa que para el que está en órbita, la estrella está girando, y para el que está de pie, el otro está en órbita. ¿Quién siente la fuerza centrífuga? y ¿qué pasaría si quitaras a uno de los astronautas de la existencia?
@Flosculus, debido a que los marcos de referencia giran entre sí, las aceleraciones en ellos serán diferentes. Las diferencias implicarán la existencia de una fuerza centrífuga para el observador en la superficie y eso implica que está en un marco de referencia giratorio. El observador que pasa volando no es necesario; simplemente midiendo la fuerza centrífuga en varios puntos de la superficie permite determinar el eje de rotación y la velocidad angular.
@JanHudec Lo entiendo, pero estaba tratando de entender si esos puntos de medición se verían afectados directamente por la existencia del observador externo, es decir, sin el observador externo actuando como marco de referencia, la persona en la superficie no debería sentir el fuerza centrífuga, porque relativamente la estrella no estaría girando en absoluto. Eso es a menos que haya un eje universal. ¿O está diciendo que la fuerza centrífuga se sentiría porque la fuerza de rotación se aplica directamente a la estrella y no al astronauta en la superficie?
@JanHudec En otras palabras, después de billones de años, ¿la resistencia generada por la fuerza centrífuga eventualmente crearía un equilibrio y devolvería el marco de referencia a cero? Si eso tiene sentido.

La relatividad especial trata con marcos "inerciales" o "no aceleradores". La física en marcos inerciales es equivalente independientemente de su velocidad y la velocidad de los marcos inerciales es relativa. Usted es libre de asumir que cualquier marco inercial es estacionario y que todos los demás marcos se mueven en relación con él. Los marcos giratorios no son inerciales, son marcos aceleradores y, por lo tanto, no son relativos. Si un marco no tiene rotación, entonces debe mantener la orientación con la media de las galaxias en el universo. Este es un absoluto. Se ha conjeturado, originalmente por Mach , que la distribución de la materia en el universo establece el marco no giratorio.

La Relatividad General se ocupa de los marcos de aceleración y analiza las diferencias entre los marcos giratorios y los marcos de aceleración gravitacional, pero esa es otra historia.

La teoría de Mach llega al corazón de "por qué" la estación espacial giratoria experimentaría gravedad artificial. Esta teoría tiene sentido para mí.

En relatividad general, el movimiento angular en realidad también tiene algo de "relatividad". Cuando estás muy cerca de un objeto giratorio, en realidad serás arrastrado con él. Esto se conoce como efecto Lense-Thirring, o simplemente "arrastre de fotogramas". El ejemplo más dramático es la ergosfera de un agujero negro giratorio, una región donde ningún objeto puede permanecer estacionario: debe girar con el agujero negro. (similar al horizonte de sucesos del que los objetos no pueden escapar)

El hecho de que sientas una fuerza bajo un movimiento angular constante se debe a que estás girando en relación con el universo de fondo. (Esa declaración puede ser algo controvertida) Si tomara una gran capa de masa esférica y la hiciera girar alrededor de usted, en realidad comenzaría a girar con la capa pero no experimentaría fuerza centrípeta. Si agregara masa hasta que el caparazón fuera casi un agujero negro, su marco de reposo natural tendría la misma velocidad angular que el caparazón en relación con el resto del universo.

Sí, creo que tiene sentido... así que básicamente un objeto está acelerando en relación con el resto de la materia del universo. Entonces, según esta teoría, me parece que si solo tuvieras 1 objeto en todo el universo, entonces no sentiría aceleración, inercia ni nada por el estilo... todo no tendría sentido porque no podrías decir que se está moviendo, sentado quieto, o acelerando... lo tengo bien?
Esa afirmación es controvertida. ¿Qué me impide decir que el universo gira a mi alrededor?
La relatividad especial está bien equipada para manejar marcos de referencia acelerados y no inerciales, mientras que sin duda deja de lado los efectos gravitacionales. Ver aquí _
@Draksis Gracias por señalarlo. Como la forma más fácil de corregir mi respuesta, simplemente eliminé esa declaración.
Podría decirse que esta pregunta y el enlace de Draksis brindan los antecedentes necesarios para comprender exactamente por qué todavía estamos buscando una forma de reconciliar la gravedad con GR.

La covarianza general se aplica solo a los observadores en caída libre: una vez que invoca fuerzas no gravitatorias, como la presión hacia adentro de la pared, el observador ya no cae libremente.

Manera fácil de distinguir entre la gravedad y la estación espacial giratoria: lanza una pelota al aire. Si viene directo hacia abajo, la gravedad. Si se aleja de ti (por detrás de tu velocidad tangencial), es una estación espacial giratoria.

Un método más fácil podría ser simplemente colocar una viga recta y rígida en el piso. Si encuentra que el piso es cóncavo, probablemente esté en una estación espacial. La técnica que describe solo funcionaría en una estación relativamente pequeña (que, por lo tanto, requeriría una velocidad angular bastante grande para lograr una aceleración centrífuga de 9,8 m/s) donde probablemente notaría la concavidad del piso con solo mirarlo. Este fenómeno también se observaría en la Tierra, pero la velocidad angular del planeta es lo suficientemente pequeña como para que la resistencia atmosférica tienda a eclipsar su efecto sobre los objetos balísticos.

Si los ocupantes de la estación espacial no estaban al tanto de su diseño y no podían mirar por la ventana, entonces no hay forma de saber si está girando o si están cerca de un planeta del tamaño de la Tierra que causa la gravedad.

Orbitar alrededor de otra estación espacial provoca una sensación de gravedad, y parece que te estás contradiciendo. Si hay algún movimiento de rotación de un cuerpo alrededor de su propio eje o de otra estación espacial, los ocupantes sentirán una fuerza que ha definido como gravedad. No pueden sentirlo como en el escenario de la estación espacial 1.

Así es como lo veo como un no profesional.

En cuanto a la aceleración, no, no necesita un punto de referencia fijo. A diferencia de la velocidad, que se define como relativa a la velocidad de otra cosa, la aceleración es absoluta en el sentido de que no es relativa a otra cosa.

Sigo teniendo la mente abierta de que me puede estar perdiendo algo aquí, porque como dije, no soy un experto... pero creo que incluso sin ventanas, si estuviera girando, lo sabrías porque estarías pegado al lado de la pared (es decir, se sentiría como la gravedad; sé que esto no es gravedad, pero alguien en la estación espacial lo sentiría así).
El ejemplo de las dos estaciones espaciales no es necesario para ilustrar mi pregunta, solo lo agregué porque pensé que me ayudó a expresar mi punto... pero tal vez solo agregó más confusión. De todos modos, la pregunta principal que tengo es ¿por qué sentirías el efecto de girar si no hay un reposo fijo para determinar que estás girando?
o cómo se pueden explicar los efectos que sentirías en una nave espacial acelerada cuando no hay un "reposo" fijo en el universo, porque para que ese objeto esté acelerando tienes que compararlo con algún otro marco de referencia.
la aceleración no es relativa a nada. lo sentirás dentro de una caja negra, la velocidad no tanto.
correcto, entonces, ¿por qué sentirías los efectos de la aceleración dentro de una caja negra? ¿Es el quid de mi pregunta?
por inercia, tu sangre y todo tratará de resistir la aceleración y "dejarse atrás" dando una verdadera sensación real.
'no hay forma de saberlo' no es correcto. Un giroscopio es todo lo que necesitas. O cuelgue un péndulo de Foucault del techo.

La "referencia" para la aceleración , es su propio "estado" previo . Lo que esto significa es que, para la aceleración lineal, es el punto inicial antes del inicio de la aceleración lineal (en t = 0). Y para la aceleración angular, es la línea imaginaria definida por el centro de rotación y la posición inicial en t = 0 ( t h mi t a = 0).

Creo que entiendo lo que dice, sin embargo, todavía no aborda la pregunta simple, cómo determinar si el estado ha cambiado. Por ejemplo, en la aceleración cambió de posición en relación con el punto/línea inicial, pero ¿el punto/línea inicial en referencia a qué? Si se refiere a sí mismo, entonces no, no cambió de posición en absoluto porque ese punto/línea continúa siguiéndolo. Entonces, me parece que absolutamente debes definir ese punto inicial de alguna manera sin referencia al objeto acelerado en sí. Eso significa que tendría que haber alguna referencia fija.
Permítanme aclarar ... no necesariamente una referencia "fija" per se (supongo que podría ser variable o fija), pero sería necesaria alguna referencia externa que no sea el objeto acelerado en sí mismo para tener un "cambio" en la posición.
¿Por qué la rotación simula la gravedad si el movimiento es relativo?
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