¿Por qué una persona flota en lugar de quedarse en el suelo del ascensor en caída libre?

Cuando analizamos la situación desde un ascensor en caída libre, un marco de referencia no inercial, necesitamos aplicar una fuerza inercial (pseudo o ficticia) para aplicar las conocidas leyes de movimiento de Newton. Aquí, la pseudo fuerza actúa en dirección hacia arriba y cancela el peso de la persona. La fuerza neta sobre la persona es cero.

El siguiente diagrama muestra cómo la fuerza de inercia y la fuerza gravitatoria sobre un objeto en un ascensor en caída libre se anulan entre sí, lo que conduce a la ingravidez:

^{Fuente de la imagen: Mi propio trabajo :)}

Ahora imaginemos que estás en un ascensor de un edificio muy alto. Cuando los cables del elevador estén intactos, estará parado en el piso del elevador y el piso ejercerá una fuerza de contacto normal sobre usted. Cuando se cortan los cables, el ascensor acelera hacia abajo con una aceleración igual a la local.$g$(asumiendo que no hay fricción con los rieles y cero resistencia del aire). Tus pies seguirán estando en contacto con el suelo. Sin embargo, ya no sentirá la fuerza ascendente que ejerce el suelo sobre sus pies. Si levanta las piernas hacia arriba, no se moverá hacia abajo al contrario de lo que sucede normalmente.

El primer video de Albert Einstein en el ascensor me parece bastante exacto. Una vez que el ascensor comienza su caída libre, no gira aleatoriamente. Se mantiene erguido y cuando levanta las piernas, simplemente pierde el contacto con el suelo. Sin embargo, su centro de masa permanece en la misma posición (con respecto al ascensor) si suponemos que no patea el suelo o las paredes del ascensor.

Sin embargo, el segundo video de la pregunta no es de un ascensor en caída libre. Está tomada en un avión de gravedad reducida. Estas aeronaves siguen la siguiente trayectoria para simular entornos de gravedad reducida o cero:

^{Fuente de la imagen: Universidad de Purdue}

La razón por la que las personas se elevan por encima en el clip vinculado por usted es que el avión inicialmente acelera hacia abajo más que el valor local de$g$. Puedes experimentar una situación similar en un ascensor, si un monstruo gigante empuja el ascensor hacia abajo con tanta fuerza que acelera hacia abajo con una aceleración mayor que$g$decir$50~\mathrm{ms^{-2}}$. En este caso, con respecto al elevador, no solo te estarás moviendo hacia arriba, sino que acelerarás hacia arriba con una aceleración igual a$a-g$dónde$a$es la aceleración proporcionada por el monstruo. ¡Ahora puedes pararte en el techo del ascensor!

^{Si está interesado en cómo estos aviones estimulan entornos de gravedad reducida, he dado una breve explicación en esta respuesta.}

Sí, se quedarían en el mismo lugar... Excepto por el hecho de que desde el marco del ascensor cualquier ligero empujón hacia arriba te impulsará y no podrás detenerlo... Como si estuvieras en una estación espacial. En el segundo ejemplo que diste, puedes ver claramente que todas las personas empujan hacia arriba, lo que hace que floten... si te quedaras perfectamente quieto, todavía estarías en el suelo.

Si bien otras respuestas no son incorrectas, me gustaría agregar que la razón principal por la que los pies de alguien no pueden permanecer en el suelo en caída libre es que cada vez que hay una ligera presión o un golpe entre los pies y el piso debido al movimiento del cuerpo , la fuerza de contacto empujará los pies hacia arriba. Dado que no intervienen otras fuerzas, los pies seguirán flotando lejos del suelo.

Además, las piernas actúan como resortes ligeramente comprimidos : cuando comienza la caída libre, los músculos que aún se estaban tensando para contrarrestar la gravedad seguirán empujando el suelo, por lo que la fuerza de reacción del suelo seguirá empujando los pies hacia arriba, aunque sea cada vez más débil a medida que avanza. las piernas se "extienden". En el momento en que las fuerzas llegan a cero porque las piernas ya no están "comprimidas", el centro de gravedad de su cuerpo ha adquirido cierta velocidad en relación con el suelo, por lo que se aleja flotando.

Tenga en cuenta que en el primer ejemplo, el cuerpo de Einstein debería haber tenido una velocidad relativa al ascensor, ya que sus pies ya estaban lejos del suelo, lo que provocó que su cabeza chocara contra el techo. Lo cual podemos confirmar mirando el segundo video (pero el avión no está perfectamente en caída libre, obviamente, por lo que la velocidad relativa puede variar mucho).